Laserul de la Măgurele, folosit pentru tratarea cancerului și o viitoare misiune pe Marte

„Ground breaking” este folosit în lumea cercetării pentru a descrie situații aflate la limita realității cunoscute de oamenii de știință, descoperiri cu un impact major la nivelul cercetării științifice. Denumit pe scurt „laserul de la Măgurele”, echipamentul care urmează să fie instalat din această vară, este mult mai complex decât relevă simpla descriere folosită pentru publicul larg.

În realitate, „Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics” este format din două componente: prima este formată din două lasere de mare putere (două brațe a câte 10 petawați fiecare, 10 petawați însemnând 10% din puterea Soarelui), și un generator de radiații gamma cu caracteristici performante, unice in lume, a explicat directorul proiectului, academicianul și profesorul Nicolae Zamfir. Cele două componente sunt de o mare complexitate, iar pentru montarea lor, care se aseamănă cu asamblarea unei stații spațiale, spune profesorul Zamfir, a fost necesară construirea unui complex întreg de cercetare pe platforma de la Măgurele. Asamblarea echipamentelor se va finaliza în 2018, iar după aceea vor începe experimentele.

Cercetătorii își propun să găsească soluții și răspunsuri pentru o serie de probleme pe care încă nu le știm sau nu le putem încă rezolva. Spre exemplu, o aplicație care ar putea rezulta din experimentele făcute la Măgurele este o metodă revoluționară pentru tratarea cancerului, acolo unde nu se mai poate interveni chirurgical. Alte aplicații ar fi simularea radiației cosmice pentru a vedea cum se comportă materialele din care sunt făcute stațiile spațiale sau navetele spațiale pentru o călătorie de lungă durată cum ar fi o viitoare misiune spre Marte. De asemenea, cercetătorii își propun să găsească răspunsuri la probleme de fizică teoretică, cum ar fi distribuția elementelor în Univers. Nu în ultimul rând, la ELI-NP s-ar putea accelera particulele cu ajutorul laserului, metodă care ar putea putea înlocui pe viitor tehnologia folosită acum la CERN, adică marile acceleratoare de particule care au niște costuri de construcție și operare astronomice.

Reporterii MEDIAFAX au vizitat clădirea care va găzdui cel mai puternic laser din lume și echipamentul gamma, și au vorbit cu o parte din specialiștii care s-au alăturat deja proiectului, dar și cu directorul ELI-NP, profesorul Nicolae Zamfir.

„Pentru publicul larg, laserul este cel mai ușor de înțeles, dar sunt două echipamente mari. În primul rând este sistemul de laser de mare putere care are două brațe de câte 10 petawați fiecare plus un sistem gamma de mare intensitate. În momentul de față, în lume sunt în funcțiune câteva lasere de 1 petawat, unul fiind chiar la Institutul de Laseri de la Măgurele. În schimb, laserul de la ELI-NP va avea 10 petawați, ceea ce înseamnă 10% din puterea întregului Soare. E impresionant chiar pentru un cercetător, e o putere extraordinară care se va concentra pe un milimetru pătrat”, a explicat Zamfir potențialul laserului.

În ceea ce privește al doilea echipament, mai puțin cunoscut publicului, Zamfir a explicat și ce presupune acesta.

„Radiația gamma este tot o radiație electromagnetică la fel ca lumina, doar că nu este vizibilă. Este generată de către surse radioactive, numai că acolo energiile sunt fixe, fiecare nucleu are o caracteristică de emisie de radiație gamma, iar cele mai multe sunt folositoare la doze care nu afectează sănătatea. Un exemplu de radiații gamma îi reprezintă cele emise de iod-131, un radioizotop care se folosește la diagnostocarea și tratarea glandei tiroide. Un alt exemplu este tomograful, care se bazează pe emiterea unor radiații foarte slabe, de către un radioizotop, și prin înregistrarea acestor radiații se vede profilul unui organ în interiorul corpului uman. La noi, radiațiile gamma vor fi produse prin ciocnirea unui electron cu un foton (o particulă de lumină). În urma ciocnirii, printr-o lege simplă a fizicii, se preia energie de la electron către foton și atunci fotonul își schimbă energia și se transformă în cuantă gamma, deci trece din domeniul vizibil, în domeniul gamma”, a mai detaliat Zamfir.

La ce folosește concret ELI-NP? Experimentele pe care le propun cercetătorii ar putea explica întrebări fundamentale despre Univers sau ar putea duce la soluții pentru tratarea cancerului, ori a deșeurilor radioactive, a precizat profesorul.

„Cea mai importantă aplicație care e privită cu nerăbdare de comunitatea științifică internațională, inclusiv de cei de la CERN, este posibilitatea de a accelera particule nu cu magneți și electromagneți care să ducă la kilometri întregi de acceleratoare, ci cu ajutorul laserului, pe distanțe de microni sau de milimetri. Acceleratorul de la CERN are 27 de kilometri, toate distanțele astea costă, costă și în radioprotecție, adică mulți bani se investesc în betoane. Dacă se demonstrează că se pot accelera cu laserul, atunci nu mai e nevoie de asemenea distanțe”, a comentat profesorul Zamfir.

Din punctul de vedere al unui fizician, una dintre cele mai interesante întrebări la care ELI-NP ar putea răspunde este legată de distribuirea elementelor în Univers.

„Să vă dau un exemplu: de ce este atâta nisip (siliciu) și atât de puțin aur sau argint? Întrebarea este cum s-au format aceste elemente și de ce diferă cantitățile aflate în Univers. De asemenea, există semne de întrebare importante ce necesită determinări experimentale care nu se pot face decât la ELI, deci vom veni cu răspunsuri inedite la unele întrebări încă nerezolvate, iar aceste experimente se vor putea face numai la ELI”, a menționat directorul ELI-NP.

Un alt tip de experimente care se vor face la ELI-NP folosește mijloacele fizicii nucleare pentru caracterizarea interacției fasciculelor extrem de puternice de lumină laser cu materia. „Sunt fenomene noi, încă necunoscute, nu știm exact ce se va întâmpla, ce legi vor guverna această interacție, deci vorbim de studiul acestor comportări și, eventual, apariția unor legi noi”, a spus profesorul Zamfir.

Un alt tip de experimente este legat de reacțiile nucleare induse de fotoni (particule de lumină), adică ceea ce oamenii de știință numesc reacții fotonucleare. „Acesta este un concept vechi, dar nu a fost exploatat suficient până acum în istoria fizicii nucleare pentru că nu a existat o mașină capabilă să producă energii gamma de diversitatea care va fi la ELI-NP. Astfel, aici se vor studia aceste reacții nucleare induse de lumină”, a explicat Zamfir.

Nu în ultimul rând, a patra categorie de experimente care se vor face la Măgurele o reprezintă aplicații în viața de zi cu zi sau în industria aero-spațială. Sunt experimentele pe care publicul larg le poate înțelege mai bine și despre care s-a scris în presă încă de la începutul proiectului.

Tipul acesta de experimente variază de la comportarea materialelor în câmp intens de radiație, până la experimente cu radiații gamma prin care s-ar putea trata cancerul acolo unde chirurgii nu pot ajunge, sau în tratarea deșeurilor radioactive.

„Spre exemplu, dacă vrem să trimitem o misiune spațială pe Marte, trebuie să ne gândim că dificultatea nu constă numai în modul de comportare al corpului uman pe termen lung, în imponderabilitate, ci și în modul de comportare a materialelor în câmp intens de radiație cosmică. În cosmos este un câmp intens de radiații care distruge materialele, le transformă proprietățile. Astfel că, dacă trimiți o misiune în spațiu, o rachetă, trebuie să ai grijă că materialele din care este făcută rerspectiva rachetă își schimbă proprietățile sub bombardamentul acestei radiații. Normal, e bine de studiat ce efect au radiațiile asupra materialelor, înainte de a trimite misiunea în spațiu. Avantajul la ELI-NP este că produce un câmp de radiații care simulează foarte bine radiația cosmică și atunci poți să studiezi efectele asupra materialelor într-un timp foarte scurt”, a comentat profesorul o aplicație directă în domeniul aero-spațial.

Mai sunt aplicațiile legate de managementul materialelor nucleare sensibile: „E destul de acută problema trecerii frontierelor cu materiale nucleare care pot fi folosite la bombe (uraniu, plutoniu) fiindcă sunt foarte greu de detectat. Cu metode care se pot pune la punct la ELI-NP, se poate construi un sistem care să detecteze în timp real dacă un container conține în interior un material din acesta. Mai există o aplicație legată de posibilitatea de a trata deșeuri radioactive prin generarea unor reacții nucleare care pot să transforme componentele radioactive de viață lungă în componente radioactive de viață scurtă. În acest caz, trebuie să obținem ioni și protoni de mare energie care să fie folosiți în astfel de reacții”.

În ceea ce privește tratarea cancerului, există aplicații legate de radiofarmaceutice. Practic, prin reacțiile generate de fotoni, există propuneri de producere a unor izotopi radioactivi care să fie folosiți în medicină: „Există o metodă numită protonoterapie care, în ultimii ani, a luat amploare în statele dezvoltate, de tratare a tumorilor canceroase cu ioni accelerați. E o metodă folosită mai ales în zonele unde tumoarea nu permite o intervenție chirurgicală (creier, ochi) și deja s-a trecut de la faza de cercetare care fusese inițiată la CERN, la faza de instalare în unele spitale din țările mai dezvoltate, fiindcă numai ele își pot permite. Un astfel de accelerator costă în jur de 100 de milioane de dolari tocmai din cauza acestor măsuri de radioprotecție. Dacă s-ar face accelerarea pe masă (cu laserul), atunci ar putea să-și permită mai multe spitale să aibă așa ceva”.

Acestea sunt doar o parte din propunerile publicate în 2010 într-o carte albă a proiectului ELI-NP, în care au fost trecute peste 200 de experimente. Însă de cele mai multe ori, realizările finale depășesc toate previziunile. „Întotdeauna o infrastructură de cercetare produce mult mai mult decât și-au imaginat inițial cercetătorii. Jules Verne nu se găsește la tot pasul, nu poți să-ți imaginezi cu foarte multă ușurință cum vor fi lucruri care încă nu există”, a conchis profesorul Zamfir.